Žvilgsnis į šviesą: bangos, dalelės, informacija
(0)
Optika [gr. optos – regimas] – tai fizikos mokslo šaka, tirianti šviesos prigimtį, sklidimą ir sąveiką su medžiaga. Šis mokslas yra vienas seniausių, visais raidos etapais labai susijęs su praktikos poreikiais. Iki 18 a. pabaigos tyrė tik regimąją šviesą. Šiuolaikinė optika tiria regimąsias, ultravioletines ir infraraudonąsias elektromagnetines bangas. Nuo kitų fizikos mokslo šakų, tiriančių elektromagnetines bangas, optika skiriasi ne tiek bangų ilgio ruožu, kiek savitais bangų sužadinimo ir tyrimo metodais.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Egzistuoja keletas požiūrių į šviesą.
Geometrinė optika tiria šviesos spindulių sklidimą, remdamąsi geometrijos dėsniais. Jei aplinkoje yra ryškių nevienalytiškumų ir pasireiškia šviesos kaip bangų savybės, tai geometrinės optikos dėsniai negalioja.
Reiškinių, kuriuose pasireiškia šviesos banginė prigimtis (šviesos interferencija, difrakcija, poliarizacija), visumą tiria banginė optika. Ji remiasi elektromagnetine šviesos teorija, kurios matematinis pagrindas yra Dž. Maksvelio (J. Maxwell) lygtys.
Reiškinius, kuriuose, sąveikaujant šviesai ir medžiagai, reiškiasi elementariųjų sistemų kvantinės savybės (šviesos spinduliavimas, sugertis, fotoefektas, A. Komptono (A. Compton) reiškinys), nagrinėja kvantinė optika.
Kai kuriuos reiškinius (pvz., šviesos slėgį, K. Doplerio (Ch. Doppler) efektą) paaiškina ir banginė ir kvantinė optika.
Žinių apie šviesos reiškinius ir jų aiškinimas pateikiamas dar graikų filosofų raštuose. 6 a. pr. m. e. Pitagoras iškėlė hipotezę (artimą šiuolaikinei), jog kūnai spinduliuoja daleles, todėl yra matomi. 4 a. pr. m. e. Aristotelis tvirtino, kad regėjimas (šviesos jutimas) yra substancijos, esančios tarp akies ir regimojo daikto, judėjimo rezultatas. Šis teiginys yra tarsi šviesos banginės teorijos užuomazga. Tame pačiame amžiuje Platono mokykla suformulavo du pagrindinius geometrinės optikos dėsnius – šviesos tiesiaeigio sklidimo ir jos kritimo bei atspindžio kampų lygybės. Šiuos dėsnius 3 a. pr. m. e. aprašė Euklidas. Šviesos lūžimas buvo žinomas jau Aristoteliui.
Banginė optika pradėjo formuotis 1665 m. F. Grimaldžiui (F. Grimaldi) atradus šviesos difrakciją ir interferenciją, bei 1669 m. E. Bartoliniui (E. Bartolini) atradus dvejopą spindulių lūžimą. Šių reiškinių negalėjo paaiškinti geometrinė optika.
1672 m. I. Niutonas (I. Newton) iškėlė šviesos korpuskulinės prigimties hipotezę. Šviesą jis laikė dalelių, veikiančių šviesos eterį ir sukeliančių jame virpesius, srautu. K. Heigensas (Ch. Huygens) teigė, kad šviesa yra eterio virpesių impulsai, plintantys dideliu, tačiau baigtiniu greičiu. K. Heigensas paaiškino šviesos atspindį ir lūžimą, dvejopą spindulių lūžimą. Dėl didelio I. Niutono mokslinio autoriteto iki 19 a. pradžios vyravo korpuskulinė šviesos teorija.
19 a. pradžioje T. Jungas (T. Young) ir A. Frenelis (A. Fresnel) sukūrė banginės optikos pradus. T. Jungas 1801 m. suformulavo šviesos bangų interferencijos principą. A. Frenelis interferencijos principu papildė K. Heigenso principą ir paaiškino ne tik tiesiaeigį šviesos sklidimą, bet ir įvairius difrakcijos atvejus. T. Jungas ir atskirai A. Frenelis padarė išvadą, kad šviesos bangos yra skersinės. Visus tuo metu žinomus optinius reiškinius jau galėjo paaiškinti banginė optika.
Elektromagnetinė šviesos teorija negalėjo paaiškinti šviesos sugerties ir emisijos. Einšteinas, remdamasis M. Planko (M. Planck) 1900 m. iškelta šviesos kvantų – fotonų hipoteze, paaiškino fotoefektą.
Vėliau, remiantis kvantine teorija, buvo paaiškintas A. Komptono reiškinys, fotoliuminescencija, kombinacinis išsklaidymas, atomų ir molekulių spektrai.
20 a. antroje pusėje, sukūrus koherentinius šviesos šaltinius (lazerį, mazerį), prasidėjo naujas optikos etapas. Lazerio sukūrimas stimuliavo kai kurių tradicinių optikos šakų (spektroskopijos, liuminescencijos, fotochemijos) spartų vystymąsi, sąlygojo visai naujų mokslo ir technikos krypčių (netiesinės optikos, lazerinės spektroskopijos, skaidulinės optikos, lazerinės technologijos) atsiradimą, sudarė galimybes praktikoje naudotis holografija.
Optine holografija vadinamas šviesos bangų struktūros užrašymo ir atkūrimo metodas, grindžiamas koherentinių šviesos bangų difrakcija ir interferencija.
Holografija išvertus iš graiku kalbos reiškia holos viskas + graphe užrašyti (viską užrašanti). Sakoma, kad, jei nuotrauka verta tūkstančio žodžių, tai holograma verta milijono. ("If a picture is worth a thousand words - hologram is worth a million…“(Sh. McCormack)
Holografijos idėją iškėlė vengrų mokslininkas D. Gaboras (Dennis Gabor) 1948m., bet praktinis holografinio metodo informacijos užrašymui, saugojimui ir atkūrimui taikymas prasidėjo tik septintame praeito amžiaus dešimtmetyje pakankamai išsivysčius gero koherentiškumo lazeriniams šviesos šaltiniams. 1971m. D. Gaboras už idėjos iškėlimą ir realizavimą gavo Nobelio premiją.
Sukūrus tobulus optinio informacijos apdorojimo ir perdavimo metodus, optikoje ir optoelektronikoje, pradėtas naudoti „fotonikos“ terminas. Šiuo terminu apibūdinami visi pritaikymai, generuojant, apdorojant, saugant, stiprinant ar perduodant optinius signalus, pagrindžiant kvantinės optikos dėsningumais. Dabar dažnai traktuojama, kad šviesa – tai ne tik bangos ar dalelės, bet ir informacija.
Pasidalinkite su draugais
Aut. teisės: www.technologijos.lt
Autoriai: Doc. L. Augulis